郭靜靜

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000）

引 言

榆林作為產(chǎn)鎂大市，2019年榆林市生產(chǎn)金屬鎂50.23萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)19.7%，占全國(guó)年產(chǎn)量的50%，占全球年產(chǎn)量的40%[1]。榆林原鎂的生產(chǎn)普遍采用皮江法[2]。皮江法屬于熱還原法，該技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，但能耗較高，熱利用率低，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的還原鎂渣。目前對(duì)鎂渣的固廢利用還在研究中，使得鎂廠中的鎂渣大量露天堆積，造成大氣污染和土壤污染。

1 鎂渣的應(yīng)用現(xiàn)狀

金屬鎂是一種比強(qiáng)度和比剛度均高于傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料的新型有色金屬，是被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、電子通訊和交通工具的綠色金屬。目前國(guó)內(nèi)金屬鎂的冶煉方法90%以上采用皮江法，該方法屬于硅熱還原法的一種。皮江法煉鎂每產(chǎn)生1t鎂就要有5～6t鎂渣[3]。目前國(guó)內(nèi)鎂渣的應(yīng)用主要研制新型墻體材料，或作為水泥混合材料比較多[4]。但是對(duì)于使用還原鎂渣進(jìn)行電廠煙氣脫硫應(yīng)用的較少，皮江法煉鎂還原渣的主要成分是CaO和未完全反應(yīng)的MgO，而這兩種成分是目前燃煤電廠中廣泛使用的堿性脫硫物質(zhì)，所以，完全可以將還原鎂渣用于燃煤電廠脫硫中，既能脫除煙氣中的SO2，減少了脫硫的材料費(fèi)用，又可以消納了一部分還原鎂渣，有助于解決金屬鎂企業(yè)的鎂渣大量堆放帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)[5]。

2 煙氣濕法脫硫現(xiàn)狀

煙氣脫硫有濕法、半干法、干法脫硫[6]。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的煙氣采用濕法脫硫，而濕法脫硫技術(shù)中石灰石-石膏脫硫技術(shù)占絕大多數(shù)，石灰石/石灰—石膏法是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多、運(yùn)行狀況最穩(wěn)定的方法，其脫硫效率在95%以上[7]。到2019年末，我國(guó)火力電廠的煙氣脫硫機(jī)組容量約為11～12億kW，其中采用濕式石灰/石灰石—石膏法脫硫工藝占比91%以上[8]。而石灰石的開采會(huì)破壞自然植被，煅燒過(guò)程造成粉塵污染和CO2排放，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每噸鎂CO2排放大于10t之多[9]，石灰石作為脫硫劑長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成了一定壓力。購(gòu)買石灰石的費(fèi)用，對(duì)燃煤電廠來(lái)說(shuō)是一筆不少的支出。

3 還原鎂渣在電廠煙氣脫硫中應(yīng)用的可行性分析

3.1 鎂渣用于電廠脫硫的現(xiàn)有技術(shù)

鎂渣用于電廠脫硫的現(xiàn)有技術(shù)之一是將鎂渣與其他催化劑混合，然后與煤粉一起進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐燃燒[10]，實(shí)現(xiàn)脫硫，此技術(shù)容易造成鍋爐堵塞，且脫硫率低。另一現(xiàn)有技術(shù)是將鎂渣與電廠粉煤灰等其他工業(yè)廢渣進(jìn)行水合，水合過(guò)程中的反應(yīng)不明確，其產(chǎn)物具有不確定性，制備的脫硫劑不具有穩(wěn)定性。

3.2 鎂渣成分檢測(cè)

鎂渣樣品取自陜西府谷某鎂生產(chǎn)企業(yè)。剛出爐的鎂渣呈熾熱橢球狀，溫度可達(dá)1200℃左右，自然冷卻后變成灰色粉末[5]，經(jīng)XRD分析，鎂渣樣品成分如表1所示。

表1 鎂渣樣品化學(xué)成分組成Table 1 The chemical composition of magnesium slag samples

3.3 鎂渣用于電廠脫硫的可行性分析

從表1分析可知，CaO含量占比50.44%，MgO含量占比11.76%，總和在60%左右，且這兩種氧化物都是常用的堿性脫硫劑。而電廠常用石灰石—石膏濕法脫硫中CaCO3的含量為60%～85%[11]。所以，二者成分比例相當(dāng)，使用鎂渣來(lái)作為燃煤電廠的脫硫劑是可行的。

4 還原鎂渣進(jìn)行煙氣脫硫的裝置

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程

還原鎂渣進(jìn)行煙氣脫硫的裝置如圖1所示。

圖1 還原鎂渣脫硫裝置Fig.1 The desulfurization device with reduced magnesium slag

圖1中，1-水合反應(yīng)器；2-鎂渣隔熱儲(chǔ)罐；3-鎂渣下料機(jī)；4-啟動(dòng)加水口；5-煙氣引風(fēng)機(jī)；6-排氣口；7-灰渣泵；8-漿液攪拌器；9-管路。

鎂渣隔熱儲(chǔ)罐中的還原鎂渣經(jīng)鎂渣下料機(jī)送入水合反應(yīng)器，在漿液攪拌器的作用下，鎂渣與水在水合反應(yīng)器內(nèi)制成水合漿液，煙氣（含SO2）由煙氣引風(fēng)機(jī)來(lái)鼓入水合反應(yīng)器，進(jìn)行脫硫反應(yīng)，反應(yīng)完成后脫硫產(chǎn)物通過(guò)灰渣泵輸送排出。

4.2 裝置特點(diǎn)

水合反應(yīng)器上設(shè)置有溫度計(jì)和壓力表，監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)溫度和壓力。水合反應(yīng)器外部設(shè)有保證水溫控制在70±5℃的保溫層，鎂渣隔熱儲(chǔ)罐設(shè)有隔熱層。水合反應(yīng)器容納12 h的投料量并留有使得多數(shù)固體可以停留12～14 h的50%的富余容積。煙氣引風(fēng)機(jī)抽出的是燃煤電廠的煙氣，通過(guò)管道上設(shè)有防止水或者水合鎂渣漿液流進(jìn)煙氣引風(fēng)機(jī)的單向閥。

5 還原鎂渣進(jìn)行煙氣脫硫的試驗(yàn)方法

將水合反應(yīng)器通過(guò)啟動(dòng)加水口加入其容積1/2～2/3的水。將還原鎂渣（還原鎂渣是指鎂冶煉廠還原罐排出的1200℃以上的高溫廢棄渣）和水，按照水、還原鎂渣質(zhì)量比為5∶1～10∶1直接加入水合反應(yīng)器，水合反應(yīng)的溫度保持在70±5℃，水合反應(yīng)的浸取時(shí)間為1～2h，攪拌速度為5～30r/min。將燃煤電廠的煙氣（含SO2）從煙氣引風(fēng)機(jī)通入水合反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。將反應(yīng)完成后排出的灰渣經(jīng)灰渣泵排出。水合反應(yīng)器及時(shí)補(bǔ)充水量，保持水容積恒定，系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行脫硫反應(yīng)。其中，水合反應(yīng)所需的熱量來(lái)自還原鎂渣的顯熱，煙氣與水合鎂渣漿液的反應(yīng)用量體積比為1.5∶1～2∶1，煙氣與水合鎂渣漿液的脫硫反應(yīng)的溫度為25～40℃，時(shí)間為2～3h。采用上述利用還原鎂渣進(jìn)行煙氣脫硫的方法及其裝置，對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫處理，其脫硫效率能夠達(dá)到70%～78%。具體試驗(yàn)方法如下。

5.1 試驗(yàn)方法1

取鎂冶煉廠還原罐排出1200℃以上的高溫廢棄渣，將水合反應(yīng)器通過(guò)啟動(dòng)加水口加入其容積1/2的水；高溫還原鎂渣置于鎂渣隔熱儲(chǔ)罐中，利用鎂渣下料機(jī)將高溫還原鎂渣按水、渣質(zhì)量比5∶1直接加入水合反應(yīng)器，水合溫度保持在75℃時(shí)間為1h，漿液攪拌器的攪拌速度為5r/min，得到水合鎂渣漿液。

將燃煤煙氣（含SO2）從煙氣引風(fēng)機(jī)通入水合反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，其中，燃煤煙氣與水合鎂渣漿液的反應(yīng)用量體積比為1.5∶1，脫硫反應(yīng)的溫度為25℃，時(shí)間為3h。將反應(yīng)完成后排出的灰渣經(jīng)灰渣泵排出。水合反應(yīng)器及時(shí)補(bǔ)充水量，保持水容積恒定，系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行脫硫反應(yīng)。采用此試驗(yàn)方法的水合鎂渣漿液的脫硫效率能夠達(dá)到70%。

5.2 試驗(yàn)方法2

選取鎂冶煉廠還原罐排出1200℃以上的高溫廢棄渣。將水合反應(yīng)器通過(guò)啟動(dòng)加水口加入其容積2/3的水；高溫還原鎂渣置于鎂渣隔熱儲(chǔ)罐中，利用鎂渣下料機(jī)將高溫還原鎂渣按水、渣質(zhì)量比10∶1直接加入水合反應(yīng)器，水合溫度保持在65℃，時(shí)間為,2h，漿液攪拌器的攪拌速度為10r/min，得到水合鎂渣漿液；將燃煤煙氣（含SO2）從煙氣引風(fēng)機(jī)通入水合反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，其中，燃煤煙氣與水合鎂渣漿液的反應(yīng)用量體積比為1.8∶1，脫硫反應(yīng)的溫度為32℃，時(shí)間為2.5h。反應(yīng)完成后排出的灰渣經(jīng)灰渣泵排出。水合反應(yīng)器及時(shí)補(bǔ)充水量，保持水容積恒定，系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行脫硫反應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，采用此方法的水合鎂渣漿液的脫硫效率能夠達(dá)到72%。

5.3 試驗(yàn)方法3

選取鎂冶煉廠還原罐排出1200℃以上的高溫廢棄渣。將水合反應(yīng)器通過(guò)啟動(dòng)加水口加入其容積3/5的水；高溫還原鎂渣置于鎂渣隔熱儲(chǔ)罐中，利用鎂渣下料機(jī)將高溫還原鎂渣按水、渣質(zhì)量比5∶1直接加入水合反應(yīng)器1，水合溫度保持在75℃時(shí)間為1.5h，漿液攪拌器的攪拌速度為30r/min，得到水合鎂渣漿液；將燃煤煙氣（含SO2）從煙氣引風(fēng)機(jī)通入水合反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，其中，燃煤煙氣與水合鎂渣漿液的反應(yīng)用量體積比為2∶1，脫硫反應(yīng)的溫度為40℃，時(shí)間為3h。反應(yīng)完成后排出的灰渣經(jīng)灰渣泵排出。水合反應(yīng)器1及時(shí)補(bǔ)充水量，保持水容積恒定，系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行脫硫反應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，采用此方法的水合鎂渣漿液的脫硫效率能夠達(dá)到78%。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)還原鎂渣進(jìn)行煙氣脫硫的實(shí)驗(yàn)裝置，將還原鎂渣應(yīng)用于煙氣濕法脫硫，可得到如下的效果：

（1）充分驗(yàn)證了還原鎂渣具有脫硫效果的可行性；

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終脫硫效率可達(dá)78%；

（3）還原鎂渣作為一種固體廢棄物，多了一種利用途徑；

（4）對(duì)新建或已投產(chǎn)運(yùn)行的電力企業(yè)具有推廣價(jià)值和可行性。